Medição de sinais neurofisiológicos de ignorar e Atender Processos em Controle de Atenção

Resumo

Attention control comprises enhancement of target signals and attenuation of distractor signals. We describe an approach to measure separately but concurrently, the neurophysiology of attending and ignoring in sustained intermodal attention, utilizing a passive control condition during which neither process is continuously engaged.

Resumo

Attention control is the ability to selectively attend to some sensory signals while ignoring others. This ability is thought to involve two processes: enhancement of sensory signals that are to be attended and the attenuation of sensory signals that are to be ignored. The overall strength of attentional modulation is often measured by comparing the amplitude of a sensory neural response to an external input when attended versus when ignored. This method is robust for detecting attentional modulation, but precludes the ability to assess the separate dynamics of attending and ignoring processes. Here, we describe methodology to measure independently the neurophysiological signals of attending and ignoring using the intermodal attention task (IMAT). This task, when combined with electroencephalography, isolates neurophysiological sensory responses in auditory and visual modalities, when either attending or ignoring, with respect to a passive control. As a result, independent dynamics of attending and of a ignoring can be assessed in either modality. Our results using this task indicate that the timing and cortical sources of attending and ignoring effects differ, as do their contributions to the attention modulation effect, pointing to unique neural trajectories and demonstrating sample utility of measuring them separately.

Introdução

Atenção guias de controle de comportamento, direcionando nossos recursos neurais e cognitivas para sinais de entrada selecionados, enquanto restringindo o acesso a outros sinais, com base em uma determinada meta comportamental ^1. Por exemplo, ao ler um livro, os sinais visuais correspondentes ao livro são os sinais alvo a ser reforçada, ao passo que outros sinais sensoriais - como a TV no quarto ao lado - são sinais distrator ser atenuada. As gravações em ambos os primatas humanos e não humanos ^1-4, indicam que as respostas neuronais em córtices sensoriais são reforçadas para alvos participaram em relação ao distractors ignorado durante a atenção selectiva, o que indica que a força de entradas sensoriais no cérebro é modulada como uma função do facto eles são classificados como alvos ou distractors ^5-7. Referimo-nos a esta diferença na intensidade do sinal quando frequentam contra ignorando como o efeito de modulação atenção.

De interesse crescente éa questão de se e como os processos neurais de assistir contribuir para o controle da atenção e suas deficiências, separadamente dos processos neurais de ignorar. É cada vez mais claro que a capacidade de ignorar distrações pode ser prejudicada de forma independente de nossa capacidade de atender alvos. Por exemplo, distractor-supressão pode ser prejudicada com o aumento da carga de tarefas ^{8, 9} envelhecimento cognitivo e privação de sono ^10, sem uma diminuição no aumento de destino. Não é Atualmente, sabe-se um decréscimo na melhoria alvo também pode existir sem um déficit na supressão de distracção. Talvez mais importante, não é resolvido se os déficits de qualquer assistente ou ignorando, mas não ambos, pode elucidar condições neuropsiquiátricas em que o controle atenção é prejudicada. Como tal, ele é valioso para entender melhor se assistir e ignorando surgir de vias corticais separáveis, se e como eles diferem em dinâmica neural. Ao medir assistir eignorando processos separadamente, tais questões podem ser abordadas.

Aqui nós descrevemos metodologia para medir os sinais neurofisiológicos de participação e ignorando separadamente, mas simultaneamente, em atenção sustentada. Esta abordagem baseia-se no efeito de modulação atenção: a diferença de amplitude de uma resposta sensorial neural quando o indivíduo está participando contra ignorando a estímulos em que o fluxo sensorial. O efeito de modulação atenção é uma poderosa ferramenta para a detecção de modulação atenção sobre sinais sensoriais, mas opõe-se a capacidade de avaliar as dinâmicas separadas de atendimento e processos ignorando. Ou seja, uma diferença de respostas sensoriais neurais ao comparecer contra ignorando poderia surgir porque o processo de atenção reforça sinais sensoriais alvo, ou porque ignorando atenua sinais distrator sensoriais, ou ambos. Para testar entre estas alternativas, é necessário o uso de uma condição de controlo adicional na qual um quantifica o strength de entradas sensoriais em sua linha de base natural, quando eles não são nem compareceram nem ignorados. Isto é semelhante ao que anda abaixo de uma rua movimentada cheia de carros, mas também não observando ativamente (por exemplo, para um táxi) nem ignorar ativamente (por exemplo, carros non-táxi e ônibus) os carros que passam. Ao avaliar sinais sensoriais que são atendidos ou ignoradas, relativas a uma condição passiva de referência, a magnitude eo momento de participar e ignorando processos pode ser quantificado separadamente.

Usos eficazes de um controle tão passiva na medição presentes e ignorando os processos foram relatados anteriormente em estudos de atenção antecipatória ^11-13 e interações memória de atenção ^9,10,14-17. Aqui nós descrevemos a utilização desta abordagem no contexto da atenção sustentada, de forma não-cued, contínua, intermodal (ou seja, auditiva-visual) tarefa de atenção (IMAT) ^18. Por outras palavras, este método é apropriado para o estudo em curso de Rather do que os processos de controlo preparatórios, permitindo o acompanhamento desses processos ao longo do tempo. Este método também quantifica os processos de controle que modulam respostas sensoriais em diferentes modalidades sensoriais (ou seja, auditivas contra visuais), concentrando-se, assim, em processos que não são especializados para dentro de um domínio sensorial ou conteúdo particular. Ao contrário do anterior ressonância magnética funcional estuda ^15,19,20, este método faixas atendimento e processos que utilizam sinais neurofisiológicos temporalmente resolvidos (eletroencefalografia, EEG), proporcionando, assim, resolução de milissegundos nos perfis temporais de atendimento e processos ignorando ignorando. Nossos resultados representativos demonstrar o uso da técnica na identificação de evidência direta para fontes separáveis ​​corticais e dinâmica temporal dos processos neurais de assistir e ignorando e contribuições únicas para o efeito de modulação atenção.

Protocolo

NOTA: O protocolo do estudo foi desenvolvido em conformidade com as diretrizes éticas aprovadas pelo conselho de revisão de investigação na Universidade da Califórnia em Los Angles.

1. Preparação de auditivo e estímulos visuais

1. Usando o software em que as imagens visuais podem ser gerados, crie duas grades sinusoid escala de cinza, cerca de 5,7 polegadas de diâmetro e de qualquer frequência (por exemplo, 1,36 ciclos / grau de ângulo visual). As imagens terão uma duração na tela de 100 ms.
   1. Inclinação uma das grelhas de cerca de 10 graus visuais para a direita da mediana, e inclinar a outra grade a mesma quantidade à esquerda da grade.
   2. Certifique-se que o grau de inclinação é suficiente para permitir aos participantes para distinguir uma inclinação à esquerda a partir de uma inclinação à direita, sem depender de adivinhação.
2. Usando o software em que tons auditivas podem ser gerados, crie dois tons puros de 100 ms de duração.
   1. Make um dos tons de um tom mais alto eo outro de um tom mais baixo. Por exemplo, um passo pode ser de 750 Hz e 900 Hz o outro.
   2. Quanto aos estímulos visuais, garantir que os tons são suficientemente distinta de tal forma que os participantes possam distinguir entre eles, sem depender de adivinhação.

2. Programação de estímulo Apresentação

1. Usando o software de apresentação, criar o código de computador que irá controlar a apresentação dos estímulos auditivos e visuais durante o experimento.
   1. Primeiro, selecione o número de estímulos a serem apresentados. Presente pelo menos 150 de cada um dos estímulos visuais e auditivos por condição experimental, para garantir que não são repetições suficientes para uma resposta neurofisiológica de confiança.
   2. Estímulos visuais presentes centralmente em um fundo cinzento, com o participante sentado a uma distância de visualização confortável. Apresentar os estímulos auditivos através de alto-falantes posicionados em ambos os lados do screen.
      Nota: Para estímulos visuais recomendamos um fundo cinza, com valores RGB no ponto médio (128.128.128) entre o branco puro (255,255,255) e preto puro (0,0,0), com o branco e preto usado na geração do sinusoid estímulos. Isto assegura que o brilho médio do fundo e estímulo são comparáveis, e o contraste é constante entre qualquer ponto no estímulo e o fundo.
   3. Para cada um dos estímulos auditivos e visuais, seleccionar de forma independente o momento para os estímulos.
      Nota: Isso impede que os participantes de antecipar estímulos baseados em relações temporais entre as duas correntes.
   4. Use um intervalo inter-estímulo (ISIS) de aproximadamente 1 segundo entre apresentações sequenciais de estímulos da mesma modalidade. Slower ISIS tornar a tarefa mais exigente sobre a vigilância, Isis mais rápido pode tornar impossível para os participantes para fazer suas respostas no tempo.
   5. Variar o ISI preciso aleatoriamente dentro de uma gama, tal como 0,7-2 seg, atornar os estímulos imprevisível para os participantes, evitando respostas neurais associadas com antecipação.
   6. Como as interações inter-modais podem surgir de forma simultânea ou quase simultaneamente apresentados estímulos ^21,22, manter o ISI entre os estímulos de duas correntes diferentes em não menos de 300 ms.
2. Certifique-se de que os estímulos auditivos e visuais parecem ocorrer intercalada para os participantes, mas nunca co-ocorrendo.
3. Por último, os estímulos dividir em segmentos de vinte e cinco. Estes segmentos será precedida por uma das três instruções de tarefas selecionadas aleatoriamente, descrito na próxima seção.

3. Tarefa Instrução

1. Orientar o participante para a tarefa antes de coletar medidas neurofisiológicas de atividade cerebral.
   1. Instrua os participantes a participar e responder aos tons auditivas e ignorar os estímulos visuais quando a instrução é "Listen". Apresentar esta instrução both através de áudio e meios visuais.
   2. Atribuir dois botões para que os participantes fazem respostas para cada tom. Por exemplo, "pressione a seta para a esquerda se o tom é alto, e seta para a direita se o tom é baixo" quando a instrução é "Listen".
   3. Da mesma forma, instruir os participantes para atender e responder às grades visuais e ignorar os estímulos auditivos quando a instrução é "Look".
   4. Atribuir dois botões para que os participantes fazem respostas às grades visuais. Por exemplo, "pressione a seta para a esquerda, se a grade está inclinada para a esquerda, seta para a direita e se a grade está inclinada para a esquerda".
      1. Use os mesmos dois botões para estímulos visuais como para estímulos auditivos para melhorar a interferência entre as modalidades e, portanto, a necessidade de empregar mecanismos de controle de atenção.
   5. Por fim, instruir os participantes a fazer sem respostas quando a instrução é "passiva", mas garantir queparticipantes manter os olhos abertos e focados na tela.
2. Durante toda a sessão tarefa, alternar as instruções para "Ouça" e "Look" entre os segmentos para mudar uma modalidade anteriormente atendidos sendo irrelevante, tornando-se assim um elemento de distracção potente.
3. Relembre os participantes a manter os olhos fixados no meio da tela, ou um pequeno ponto ou cruz apresentado na localização do estímulo visual, e para manter os olhos abertos durante todo o experimento.
4. Construir em oito a 10 segundo intervalos entre os segmentos para mitigar os efeitos da fadiga, permitir aos participantes para descansar os olhos, bem como mais longos 1-2 mínimo de pausas a cada 6-8 min.
5. Finalmente, fornecer a cada participante com ampla prática para garantir que eles estão realizando a tarefa corretamente. Pode ser benéfico, especialmente para participantes que têm dificuldades de atenção, para praticar o visual e as tarefas auditivas com o fluxo participaram apresentado em isolation, sem a apresentação simultânea do fluxo distrator.

4. Coleta de Dados neurofisiológico

1. Uma vez que os participantes estão familiarizados com a tarefa, começar a coleta de respostas neurofisiológicos aos sinais participaram e ignorados durante o IMAT.
2. Prepare a eletroencefalografia (EEG) boné e um aparelho de controlo de acordo com as instruções do fabricante, e em conformidade com os padrões de metodologia e de publicação atuais para EEG investigação ^26,27.
   Nota: Importantes parâmetros de gravação para gravação EEG EEG durante o IMAT, que pode ser especificado pelo usuário, incluem: (a) taxa de 128-1,024 Hz de amostragem, para capturar a baixa frequência de sinais de ERP; (B) a corrente alternada (AC) de gravação para minimizar a deriva lenta; (C) líquido com amostragem de couro cabeludo inteiro e com no mínimo de 64 sensores, se as análises de imagem de origem estão a ser realizada.
3. Aplicar a tampa para o couro cabeludo do participante e verificar impedância de sinal equalidade a cada um dos sensores. Preste atenção especial para garantir que as impedâncias dos eletrodos de registro são uniformes e dentro da faixa recomendada pelo fabricante.
   Nota: Neste momento, também adicionar dispositivos de medição fisiológica adicionais se querendo coletar sinais fisiológicos não-neural, como a respiração ou o pulso.
4. Sincronizar as gravações neurofisiológicos com o software de apresentação do estímulo e software de gravação neurofisiológica de acordo com as instruções do fabricante.
5. Grave os sinais neurofisiológicos enquanto o participante realiza a tarefa, garantindo que o software de gravação possuir registro preciso do tempo de cada estímulo e resposta para análise posterior.

5. Análise de dados offline

1. Prepare os dados neurofisiológicos para análise estatística usando software de análise.
2. Primeiro, retire os componentes do sinal não neurais que contribuirão para a variabilidade neurophyfisiológi- gravações de respostas do cérebro.
   1. Use de um filtro passa-alto de 0,1-1 Hz, para remover trações lentos, tais como aquelas causadas por alterações na impedância dos sensores.
   2. Use um filtro passa-baixa de 30-50 Hz para remover componentes de alta frequência introduzidas pelo ruído elétrico.
   3. Identificar sensores que mostram dados não confiáveis, e excluem estes ou interpolar os sinais.
   4. Identificar e eliminar os grandes componentes de ruído pouco frequentes, tais como artefato muscular de contração mandíbula ou movimentos da testa, e, contribuições não-neurais sistemáticas, tais como movimentos dos olhos.
      Nota: algoritmos típicos para remover componentes não-neuronais incluem a análise de regressão e componentes independentes, bem como algoritmos iterativos com base em critérios de selecção explícito (por exemplo, variações de tensão que ultrapassa um limite máximo). Siga as orientações de software de análise disponíveis, e proceder de acordo com as normas vigentes para EEG investigação ^26,27.
3. Uma vez que os componentes principais não neurais dos dados neurofisiológicos ter sido removida, re-os dados de referência em cada um dos eléctrodos por subtracção a partir de cada sensor a média em todos os outros sensores ou a média entre os canais esquerdo e direito mastoídeas.
   Nota: Esta etapa de re-expressa os efeitos em cada sensor em relação a uma referência neutro que é assumido para conter sinais neurais de zero.
   Nota: sparser montagens de eletrodos podem não ter amostragem suficiente para atender os pressupostos desta técnica ^26,27. Neste último caso, a média da mastóides esquerda e direita pode fornecer uma indicação mais precisa.
4. Próximo extrato épocas temporais de aproximadamente 1 seg redor de cada auditivas e visuais mostrado cada evento. Incluir 100 ms anteriores o início do estímulo para servir como um intervalo de linha de base e, pelo menos, 600 ms após o início do estímulo.
5. Calcular a média dos dados de todas as épocas que se enquadram na mesma condição - participaram, ignorado, e passivamente percebida estímulos &# 8212; para calcular a média do potencial evocado resposta ou "ERP". Subtrair a média dos dados da linha de base pré-estímulo para a re-express das amplitudes ERP como alterações em relação ao sinal pré-estímulo.
6. Para identificar o curso de tempo dos processos presentes, comparar a amplitude e tempo, bem como a distribuição espacial da resposta ERP após estímulos atendidos, contra aqueles durante a condição passiva.
7. Para identificar o curso de tempo de ignorar, comparar a amplitude e tempo, bem como a distribuição espacial da resposta ERP após estímulos ignorados, contra aqueles durante a condição passiva.

Resultados

O protocolo IMAT foi usado anteriormente para identificar as contribuições únicas de atendimento e ignorando processos a velocidade de resposta durante a atenção sustentada ^18. Nesse estudo, testamos 35 indivíduos destros saudáveis ​​(22 mulheres, idade: X = 21,0, σ = 5,4), recrutados através do pool assunto departamento de Psicologia da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. Todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes da participação no estudo. Os resultad...

Discussão

Processos relacionados ao atendimento e ignorando no controle da atenção pode envolver diferentes vias neurais e cursos de tempo. Portanto, é de valor para medir esses processos separadamente. O IMAT é uma ferramenta, através da qual pode-se captar sinais neurofisiológicos de participação e ignorando separadamente, mas simultaneamente, em atenção sustentada. Os passos críticos incluem a medição de respostas neurofisiológicos sensoriais quando o participante está participando, ignorando ou percebendo passi...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
NetStation Software	Electrical Geodesic, Inc.	version 4.5.1	Alternate recording software may be used.
Matlab Software	The MathWorks, Inc.	7.10.0 (R2010a)	Alternate analysis and presentation software may be used.
PsychToolbox Software	http://psychtoolbox.org/	v3.0.8 (2010-03-06)	Open-source software. Alternate stimulus presentation software may be used.
Netstation Amplifier	Electrical Geodesic, Inc.	300	Alternate amplifier may be used.
EEG Net	Electrical Geodesic, Inc.	HCGSN130	Alternate EEG cap may be used.
Saline-Based Electrolyte (Potassium Chloride)	Electrical Geodesic, Inc.	n/a	Electrolyte used in soaking of net for this high-impedance EEG system. Alternate electrolyte mediate can be used.